DE4244607A1 - Thermoelectric radiation sensor, esp. for IR and visible light - Google Patents
Thermoelectric radiation sensor, esp. for IR and visible lightInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Strahlungssensor, insbesondere für infrarotes und sichtbares Licht, mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.The invention relates to a thermoelectric radiation sensor, in particular for infrared and visible light, with the characteristics of the generic term of Claim 1.
Thermoelektrische Strahlungssensoren der in Rede stehenden Art sind seit län gerem aus der Praxis bekannt. Ein aus der Praxis bekannter thermoelektrischer Strahlungssensor arbeitet mit einer Mehrzahl von Reihe geschalteten Thermo elementen, die sternförmig auf die Mitte der Trägermembran zulaufend ange ordnet sind, wobei sich die Meßstellen unter einer als Absorptionsschicht aus geführten Abdeckschicht in der Mitte der Trägermembran finden. Die Vergleichs stellen der Thermoelemente befinden sich auf dem als Wärmesenke dienenden Rah men. Die Absorptionsschicht in der Mitte der Trägermembran bildet mit den da runter befindlichen Meßstellen der Thermoelemente den Strahlungsaufnehmer. Die durch die Öffnung im Gehäuse und das darin meist befindliche Eintritts fenster eintretende Strahlung, meist Infrarotstrahlung, wird in der Absorp tionsschicht in Wärme umgewandelt, die die Meßstellen der Thermoelemente be einflußt und so eine elektrische Messung der eintretenden Strahlung erlaubt. Insbesondere in Strahlungspyrometern werden solche thermoelektrischen Strah lungssensoren weit verbreitet eingesetzt.Thermoelectric radiation sensors of the type in question have been around for a long time gerem known from practice. A thermoelectric known from practice Radiation sensor works with a plurality of thermos connected in series elements that run in a star shape towards the center of the support membrane are arranged, whereby the measuring points are characterized by an absorption layer find the guided cover layer in the middle of the carrier membrane. The comparative The thermocouples are located on the frame that serves as a heat sink men. The absorption layer in the middle of the carrier membrane forms with the measuring points of the thermocouples located below the radiation sensor. The one through the opening in the housing and the entry that is usually located in it Radiation entering the window, mostly infrared radiation, is in the absorber tion layer converted into heat, which be the measuring points of the thermocouples influences and thus allows an electrical measurement of the incoming radiation. Such thermoelectric beams are used in particular in radiation pyrometers used widely.
Bei einem anderen aus der Praxis bekannten thermoelektrischen Strahlungssen sor wird nach dem Prinzip eines Bolometers mit einer Platinfolie mit einer Schwärzung auf der Oberfläche als Absorptionsschicht gearbeitet bzw. mit Halbleiter-Thermistoren auf einer entsprechend dünnen Trägermembran.In another thermoelectric radiation sensor known from practice sor is based on the principle of a bolometer with a platinum foil with a Blackening on the surface worked as an absorption layer or with Semiconductor thermistors on a correspondingly thin carrier membrane.
Eine entsprechend dünne Trägermembran läßt sich beispielsweise in einem Rah men aus Silizium durch mikromechanische Ätzung von der Rückseite her her stellen, sie besteht häufig aus Silizium-Oxid-Nitrid, das bei der Ätzung von Silizium nicht angegriffen wird.A correspondingly thin carrier membrane can, for example, in a frame made of silicon by micromechanical etching from the back make, it often consists of silicon oxide nitride, which is used in the etching of Silicon is not attacked.
Bei den bisher bekannten thermoelektrischen Strahlungssensoren der in Rede stehenden Art ist die Meßempfindlichkeit vom Verhältnis der Fläche der Ab sorptionsschicht (Abdeckschicht) zur Fläche des Eintrittsfensters abhängig. Nur die Anteile der Strahlung, die von der Strahlungsquelle durch das Ein trittsfenster des Gehäuses direkt auf den Strahlungsaufnehmer treffen, füh ren zu einem auswertbaren Signal. Der überwiegende Anteil der Strahlung trifft außerhalb des Strahlungsaufnehmers auf Trägermembran, Rahmen und Gehäusetei le und führt nicht zur Erwärmung der Absorptionsschicht und damit nicht zu einem Meßsignal. Im Gegenteil, es kann sich sogar eine Erwärmung der Wärme senke am Rahmen ergeben, die das vorhandene Meßsignal beeinträchtigt. Der Ausnutzungsgrad beträgt bei bisherigen thermoelektrischen Strahlungssensoren häufig nur 2 bis 5% der insgesamt einfallenden Strahlung.In the previously known thermoelectric radiation sensors in question standing type is the measurement sensitivity of the ratio of the area of the Ab sorption layer (cover layer) depending on the area of the entrance window. Only the proportions of radiation from the radiation source through the one impact window of the housing directly on the radiation sensor, to an evaluable signal. The majority of the radiation hits outside the radiation sensor on the carrier membrane, frame and housing part le and does not lead to heating of the absorption layer and therefore not to a measurement signal. On the contrary, there may even be heating of the heat sink on the frame result that affects the existing measurement signal. Of the Utilization rate in previous thermoelectric radiation sensors often only 2 to 5% of the total incident radiation.
Man könnte bei bekannten thermoelektrischen Strahlungssensoren den Ausnut zungsgrad dadurch erhöhen, daß man die lateralen Abmessungen, insbesondere den Durchmesser, der Absorptionsschicht und die Dicke der Absorptionsschicht erhöht. Damit wird dann zwar der Ausnutzungsgrad erhöht, gleichzeitig wird der thermoelektrische Strahlungsdetektor aber erheblich träger, da die Wär mekapazität der Absorptionsschicht entsprechend ansteigt. Außerdem ist eine Vergrößerung der lateralen Abmessungen auch deshalb nur begrenzt möglich, weil bei Einsatz von Thermoelementen im Strahlungsaufnehmer der laterale Ab stand zwischen den konzentriert in der Mitte der Trägermembran angeordneten Meßstellen der Thermoelemente und dem Rand der als Absorptionsschicht ausge führten Abdeckschicht nicht zu groß werden darf.One could use the groove in known thermoelectric radiation sensors increase degree of efficiency in that the lateral dimensions, in particular the diameter, the absorption layer and the thickness of the absorption layer elevated. The degree of utilization is then increased, at the same time the thermoelectric radiation detector is considerably slower because the heat mecapacity of the absorption layer increases accordingly. Besides, one is Lateral dimensions can therefore only be increased to a limited extent, because when using thermocouples in the radiation sensor, the lateral Ab stood between those concentrated in the middle of the support membrane Measuring points of the thermocouples and the edge of the absorption layer led cover layer must not be too large.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen thermoelektrischen Strahlungs sensor der in Rede stehenden Art so auszugestalten und weiterzubilden, daß sich eine wesentlich höhere Empfindlichkeit ohne Erhöhung, besser noch mit Verringerung der Trägheit ergibt.The invention has for its object a thermoelectric radiation To design and develop sensor of the type in question so that a much higher sensitivity without increasing, better still with Reduction in inertia results.
Der erfindungsgemäße thermoelektrische Strahlungssensor löst die zuvor auf gezeigte Aufgabe mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1. Erfindungsgemäß wird die in einem bestimmten Öffnungswinkelbereich des Ein trittsfensters eintretende Strahlung auf den Strahlungsaufnehmer konzentriert. The thermoelectric radiation sensor according to the invention resolves the previously Shown task with the features of the characterizing part of claim 1. According to the invention, the in a certain opening angle range radiation entering the entrance window is concentrated on the radiation sensor.
Alle Strahlung, die innerhalb des bestimmten Öffnungswinkelbereichs durch das Eintrittsfenster in das Innere des Gehäuses eintritt wird also im Inneren des Gehäuses so umgelenkt, daß sie den Strahlungsaufnehmer trifft, dort absor biert wird und zu einem auswertbaren Meßsignal beiträgt. Der Öffnungswinkel bereich des Eintrittsfensters kann bei geschickter Gestaltung bis zu 180°, jedenfalls aber bis zu 160° erweitert werden.All radiation within the specified aperture angle range through the Entry window into the interior of the housing is thus inside the Housing deflected so that it hits the radiation sensor, absorbed there is beer and contributes to an evaluable measurement signal. The opening angle The area of the entrance window can be up to 180 ° with a clever design, in any case, can be expanded up to 160 °.
Das Kollektorelement zur Konzentration der eintretenden Strahlung, insbeson dere also des eintretenden sichtbaren oder infraroten Lichts kann eine Sam mellinse sein, wobei das Eintrittsfenster selbst als Sammellinse ausgeführt sein kann.The collector element for concentrating the incoming radiation, in particular the Sam of the incoming visible or infrared light be lens, the entrance window itself designed as a converging lens can be.
Mit einer Sammellinse als Kollektorelement läßt sich nur ein begrenzter Öff nungswinkelbereich des Eintrittsfensters erfassen, außerdem ist eine Mehr fach-Reflexion der Strahlung mit Konzentration auf den Strahlungsaufnehmer nach mehreren Durchgängen nicht einfach zu realisieren. Anspruch 4 schlägt daher als Kollektorelement einen Spiegel vor, was gegenüber einer Sammel linse als Kollektorelement weitere erhebliche Vorteile hat. Vorteilhafte Gestaltungen des Systems mit Spiegel sind Gegenstand der Ansprüche 5, 6 und 7. Man kann auch Spiegel und Sammellinse miteinander kombinieren.With a converging lens as a collector element, only a limited aperture capture the angle range of the entrance window, there is also a more fold reflection of the radiation with concentration on the radiation sensor not easy to implement after several passes. Claim 4 beats therefore as a collector element in front of a mirror, what compared to a collector lens as a collector element has further significant advantages. Beneficial Designs of the system with a mirror are the subject of claims 5, 6 and 7. You can also combine mirrors and converging lenses.
Bei der im Stand der Technik schon bekannten und nach der Erfindung bevor zugt realisierten Form des Sensorträgers mit Rahmen, Trägermembran und Dünnschicht-Strahlungsaufnehmer ist davon auszugehen, daß Strahlung auch die dünne Trägermembran, die regelmäßig nur wenige µm dick sein wird, durch setzt. Eine Spiegelanordnung auf der vom Eintrittsfenster abgewandten Seite der Trägermembran nutzt auch diesen Teil der eintretenden Strahlung für meß technische Zwecke aus, das ist Gegenstand von Anspruch 8, wobei bevorzugte Ausführungen in den Ansprüchen 9 bis 11 beschrieben sind.In the already known in the prior art and before according to the invention realizes the shape of the sensor carrier with frame, carrier membrane and Thin-film radiation sensors can be assumed that radiation too through the thin carrier membrane, which will regularly only be a few µm thick puts. A mirror arrangement on the side facing away from the entrance window The carrier membrane also uses this part of the incoming radiation for measurement technical purposes, that is the subject of claim 8, preferred Embodiments are described in claims 9 to 11.
Die Ansprüche 12 bis 15 behandeln allgemein vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Strahlungssensors. Claims 12 to 15 deal with generally advantageous configurations of the thermoelectric radiation sensor according to the invention.
Zuvor ist schon angesprochen worden, daß die Abdeckschicht als Strahlungs- Absorptionsschicht ausgeführt sein kann. Die Wärmekapazität einer als Absorp tionsschicht ausgeführten Abdeckschicht stellt einen wesentlichen Einflußfak tor für die Trägheit - Ansprechgeschwindigkeit - des thermoelektrischen Strah lungssensors dar. Wird hier schon mit der erfindungsgemäßen Strahlungs-Konzen tration ein erheblicher Fortschritt realisiert, indem die Fläche des Strah lungsaufnehmers reduziert werden oder klein bleiben kann, so schafft noch mals einen Sprung in der Realisierung hoher Empfindlichkeit bei geringer Träg heit die Lehre des Anspruchs 17, der auch für sich besondere Bedeutung zu kommt. Mit einem Interferenzsystem, das in der Schichtfolge so abgestimmt ist, daß alle auf den Strahlungsaufnehmer einfallende Strahlung des interes sierenden Wellenlängenbereichs weitestgehend absorbiert wird, läßt sich eine nochmalige erhebliche Verbesserung erzielen. Ausgestaltungen dieser Lehre sind Gegenstand der Ansprüche 18 und 19.It has already been mentioned previously that the cover layer as a radiation Absorbent layer can be executed. The heat capacity of an absorber cover layer is an important factor of influence Gate for the inertia - response speed - of the thermoelectric beam tion sensor. Is already here with the radiation concentration according to the invention Tration realized significant progress by the area of the beam can be reduced or remain small, so creates a leap in the realization of high sensitivity with low inertia is the doctrine of claim 17, which also has special meaning for itself is coming. With an interference system that is coordinated in the layer sequence is that all radiation of the interes incident on the radiation sensor absorbing wavelength range is largely absorbed, one can achieve another significant improvement. Refinements to this teaching are Subject matter of claims 18 and 19.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigtIn the following, the invention is based on an exemplary embodiment only illustrative drawing explained in more detail. In the drawing shows
Fig. 1 in einer Draufsicht den Sensorträger eines erfindungsgemäßen thermo elektrischen Stahlungssensors, natürlich stark vergrößert, Fig. 1 in a plan view of the sensor carrier of a thermoplastic inventive electrical Stahlungssensors enlarged course strongly,
Fig. 2 im Schnitt eine Prinzipdarstellung eines thermoelektrischen Strah lungssensors, Fig. 2 a sectional schematic diagram of a thermoelectric sensor lung Strah,
Fig. 3 in einem Fig. 2 entsprechenden Schnitt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Strahlungssensors und Fig. 3 in a corresponding Fig. 2 section an embodiment of a thermoelectric radiation sensor according to the invention and
Fig. 4 in stark vergrößerter Darstellung den Mittelbereich der Trägermem bran, also den Bereich des Strahlungsaufnehmers, bei einem thermo elektrischen Strahlungssensor gemäß Fig. 3. FIG. 4 in a greatly enlarged representation the central region of the carrier membrane, that is to say the region of the radiation sensor, in the case of a thermoelectric radiation sensor according to FIG. 3.
Aus Fig. 1 in Verbindung mit Fig. 2 ergibt sich zunächst, daß Gegenstand der Erfindung ist ein thermoelektrischer Strahlungssensor, der insbesondere für in frarotes und sichtbares Licht, insbesondere für Wellenlängen bis ins mittlere Infrarot (25 µm) geeignet ist. Grundsätzlich gilt die Lehre der Erfindung aber für alle thermoelektrischen Strahlungssensoren, wenn auch der Einsatzbereich für Infrarot-Strahlungssensoren insbesondere in Strahlungspyrometern besonders bedeutsam ist.From Fig. 1 in connection with Fig. 2 it first appears that the subject of the invention is a thermoelectric radiation sensor which is particularly suitable for in infrared and visible light, in particular for wavelengths up to the mid-infrared (25 microns). In principle, however, the teaching of the invention applies to all thermoelectric radiation sensors, even if the area of use for infrared radiation sensors is particularly important, in particular in radiation pyrometers.
Ein solcher Strahlungssensor weist zunächst ein Gehäuse 1 auf mit einer Öffnung 2, die durch ein für die Strahlung durchlässiges Eintrittsfenster 3 abgedeckt ist. Im Gehäuse 1 befindet sich mit Abstand vom Eintrittsfenster 3 und vorzugs weise mittig dazu angeordnet ein Sensorträger 4. Dieser besteht aus einem um laufenden Rahmen 5 mit elektrischen Anschlüssen 6, einer im Rahmen 5 aufge spannten dünnen Trägermembran 7 und auf der Trägermembran 7 einem elektrisch nach außen mit den Anschlüssen 6 verbundenen Dünnschicht-Strahlungsaufnehmer 8. Das zeigt schematisch Fig. 1 besonders deutlich, die Anschlüsse 6 sind als Anschlußpads flächig ausgeführt.Such a radiation sensor initially has a housing 1 with an opening 2 which is covered by an entry window 3 which is transparent to the radiation. A sensor carrier 4 is located in the housing 1 at a distance from the entrance window 3 and preferably in the center thereof. This consists of a frame 5 to the current to electrical terminals 6, one positioned in the frame 5 clamped thin carrier membrane 7 and on the support membrane 7 of an electrically outwardly connected to the terminals 6 thin-radiation sensor. 8 This is shown schematically in Fig. 1 particularly clearly, the connections 6 are designed as connection pads flat.
Die Fläche des Strahlungsaufnehmers 8 ist wesentlich kleiner als die Fläche des Eintrittsfensters 3.The area of the radiation sensor 8 is significantly smaller than the area of the entrance window 3 .
Im dargestellten und insoweit auch bevorzugten Ausführungsbeispiel gilt da bei, daß der Strahlungsaufnehmer 8 durch die nahe beieinander angeordneten und mit einer Abdeckschicht 9 versehenen Meßstellen 10 einer Mehrzahl von in Reihe angeordneter Thermoelemente 11 gebildet ist, wobei der Rahmen 5 die Wär mesenke für die Vergleichsstellen 12 der Thermoelemente 11 bildet. Man sieht in Fig. 1 die sternförmig angeordneten Thermoelemente 11 (beispielsweise ins gesamt 80 Stück), die in Reihe geschaltet sind, um das an den Anschlüssen 6 zur Verfügung stehende Meßsignal zu vergrößern. Von der Abdeckschicht 9 wer den die Meßstellen 10 der Thermoelemente 11 abgedeckt, eine solche Meßstelle 10 ist aber in Fig. 4 links und rechts jeweils erkennbar. Das Grundprinzip des thermoelektrischen Strahlungssensors ist aber ähnlich auch bei einer bolometrischen Ausgestaltung, die im allgemeinen Teil der Beschreibung er läutert worden ist.In the illustrated and in this respect also preferred exemplary embodiment, it applies that the radiation sensor 8 is formed by the measuring points 10 of a plurality of thermocouples 11 arranged in close proximity and provided with a covering layer 9 , the frame 5 being the heat sink for the reference points 12 the thermocouple 11 forms. One can see in Fig. 1, the radially arranged thermocouples 11 (for example, the total 80 pieces), which are connected in series to the properties of the connections 6 available measurement signal to increase. From the cover layer 9 who covered the measuring points 10 of the thermocouples 11 , such a measuring point 10 can be seen on the left and right in FIG . The basic principle of the thermoelectric radiation sensor is similar, however, also with a bolometric configuration, which he has explained in the general part of the description.
Fig. 2 macht nun deutlich, wie Strahlung in das Eintrittsfenster 3 im Gehäuse 1 eintritt. Da man davon ausgehen muß, daß die Strahlung in das Eintrittsfenster 3 des Gehäuses 1 aus dem Unendlichen kommend eintritt, also als Parallelstrah lung vorliegt, trifft nur jeweils ein sehr geringer Teil der Strahlung den Strahlungsaufnehmer 8. Das ist in Fig. 2 bei Betrachtung der gestrichelt dar gestellten Strahlen ohne weiteres verständlich. Der durch durchgezogene Li nien gezeigte Öffnungswinkelbereich des Strahlungsaufnehmers 8, der hier durch die übertrieben dick eingezeichnete Abdeckschicht 9 definiert ist, ist also nur theoretisch und nicht praktisch von irgendeiner Bedeutung. Das hat die im allgemeinen Teil der Beschreibung erläuterten Schwierigkeiten. Fig. 2 now makes clear how radiation enters the entrance window 3 in the housing 1. Since it must be assumed that the radiation enters the entrance window 3 of the housing 1 from the infinite, that is to say is present as a parallel beam, only a very small part of the radiation hits the radiation sensor 8 . This is readily understandable in Fig. 2 when viewing the rays shown in dashed lines. The opening angle range shown by the solid lines of the radiation sensor 8 , which is defined here by the exaggerated thick covering layer 9 , is therefore only theoretical and not practical of any importance. This has the difficulties explained in the general part of the description.
Nach der Lehre der Erfindung gilt nun jedoch, daß der erfindungsgemäße thermo elektrische Strahlungssensor, der in Fig. 3 in einem Schnitt dargestellt ist, gekennzeichnet ist durch mindestens ein Kollektorelement 13, das die in einem bestimmten Öffnungswinkelbereich des Eintrittsfensters 3 eintretende Strahlung auf den Strahlungsaufnehmer 8 konzentriert. Der Strahlungsaufnehmer 8 kann al so nach wie vor geringe laterale Abmessungen, insbesondere einen geringen Durch messer aufweisen, gleichwohl wird die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Strahlungssensors deutlich erhöht, da ein größerer Anteil der durch das Ein trittsfenster 3 eintretenden Strahlung auf den Strahlungsaufnehmer 8 hinge leitet wird, dort zur Absorption kommt und so zu dem Meßsignal beiträgt.According to the teaching of the invention, however, the thermo-electric radiation sensor according to the invention, which is shown in section in FIG. 3, is characterized by at least one collector element 13 which emits the radiation entering the radiation sensor 8 in a specific opening angle range of the entrance window 3 concentrated. The radiation sensor 8 can still have small lateral dimensions, in particular a small diameter, but the sensitivity of the radiation sensor according to the invention is significantly increased, since a larger proportion of the radiation entering through the entrance window 3 is directed onto the radiation sensor 8 , there comes to absorption and thus contributes to the measurement signal.
Nicht dargestellt ist in der Zeichnung eine erste Alternative, bei der das Kollektorelement 13 eine Sammellinse ist. Der Strahlungsaufnehmer 8 liegt dabei dann zweckmäßigerweise in der Brennebene der Sammellinse. Besonders zweckmäßig ist es dann, das ohnehin vorhandene Eintrittsfenster 3 selbst als Sammellinse auszuführen.Not shown in the drawing is a first alternative in which the collector element 13 is a converging lens. The radiation sensor 8 is then expediently in the focal plane of the converging lens. It is then particularly expedient to design the entry window 3 , which is present anyway, as a collecting lens itself.
In Fig. 3 ist ein erfindungsgemäßer Strahlungssensor gezeigt, bei dem eine an dere Konzeption verwirklicht ist, obgleich dieser Strahlungssensor zusätzlich auch mit einer Sammellinse als Kollektorelement 13 ausgerüstet werden könnte. Hier gilt nämlich, daß als Kollektorelement 13 zwischen Eintrittsfenster 3 und Sensorträger 4 ein Spiegel (oder ein Spiegelsystem) angeordnet ist, durch das, ggf. nach mehrfacher Reflexion, die Strahlung konzentriert auf den Strah lungsaufnehmer 8 lenkbar ist. Im dargestellten und insoweit bevorzugten Aus führungsbeispiel gilt dabei weiter, daß der das Kollektorelement 13 bildende Spiegel sphärisch ausgeführt ist. Insbesondere befindet sich hier der Strah lungsaufnehmer 8 in der Brennebene des die Kontur eines Kegelschnittes auf weisenden Spiegels. Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn das Eintritts fenster 3 auf der Innenseite auch noch verspiegelt ist, jedenfalls in einem hinreichend starken Maße reflektiert, so daß auch durch Mehrfach-Reflexionen Strahlung auf den Strahlungsaufnehmer 8 konzentriert werden kann.In Fig. 3, an inventive radiation sensor is shown in which one is realized in particular conception, although this radiation sensor could be equipped with a converging lens as the collector element 13. Here it is true that a mirror (or a mirror system) is arranged as the collector element 13 between the entrance window 3 and the sensor carrier 4 , through which, possibly after multiple reflection, the radiation can be directed onto the radiation sensor 8 . In the illustrated and in this respect preferred exemplary embodiment further applies that the mirror forming the collector element 13 is spherical. In particular, here is the radiation sensor 8 in the focal plane of the contour of a conic section pointing to the mirror. It is particularly useful if the entrance window 3 is also mirrored on the inside, in any case reflected to a sufficiently strong extent so that radiation can be concentrated on the radiation sensor 8 by multiple reflections.
Fig. 3 macht eine weitere Besonderheit des erfindungsgemäßen thermoelektri schen Strahlungssensors deutlich, der auch für sich besondere Bedeutung zu kommt. Es gilt nämlich, daß auf der vom Eintrittsfenster 3 angewandten Sei te unter der Trägermembran 7 ein weiteres Kollektorelement 14 in Form eines Reflektorspiegels angeordnet ist, durch das, ggf. nach mehrfacher Reflexion, die die Trägermembran 7 durchsetzende Strahlung von hinten konzentriert auf den Strahlungsaufnehmer 8 lenkbar ist. Für den Reflektorspiegel, der das weitere Kollektorelement 14 für den "Rückraum" des Strahlungsaufnehmers 8 bildet, gelten die gleichen Ausgestaltungsmöglichkeiten wie für den zuvor in Verbindung mit dem Kollektorelement 13 erläuterten Spiegel bzw. ein ent sprechendes Spiegelsystem aus mehreren Spiegeln. (Ansprüche 9, 10) Fig. 3 shows another special feature of the thermoelectric radiation sensor according to the invention, which is of particular importance in itself. It is namely the case that, on the side of the entrance window 3, a further collector element 14 in the form of a reflector mirror is arranged under the carrier membrane 7 , through which, if necessary after multiple reflection, the radiation passing through the carrier membrane 7 concentrates from behind on the radiation sensor 8 is steerable. For the reflector mirror, which forms the further collector element 14 for the "back space" of the radiation sensor 8 , the same design options apply as for the mirror explained above in connection with the collector element 13 or a corresponding mirror system consisting of several mirrors. (Claims 9, 10)
Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel zeichnet sich hinsichtlich der Realisierung des weiteren Kollektorelementes 14 weiter dadurch aus, daß der Sensorträger 4 auf einem plattenartigen Sockel 15 angeordnet ist, der, vor zugsweise, Teil des Gehäuses 1 ist, und daß der das weitere Kollektorelement 14 bildende Reflektorspiegel in den Sockel 15 integral eingeformt ist. Da mit ist diese auch die die Trägermembran 7 durchsetzende Strahlung nutzende Spiegelanordnung besonders zweckmäßig und hoch präzise in den "Unterbau" des Sensorträgers 4 integriert.The exemplary embodiment shown in FIG. 3 is further distinguished with regard to the implementation of the further collector element 14 in that the sensor carrier 4 is arranged on a plate-like base 15 which, before preferably, is part of the housing 1 , and in that the further collector element 14 forming reflector mirror is integrally molded into the base 15 . Since this is also particularly expediently and highly precisely integrated into the “substructure” of the sensor carrier 4 , the mirror arrangement using the radiation passing through the carrier membrane 7 .
Der Reflektorspiegel, der das weitere Kollektorelement 14 bildet, kann im bei spielsweise aus Keramik, Glas oder einem Kunststoff bestehenden Sockel 15 durch Metall-Bedampfung ausgebildet sein. Für den als Kollektorelement 13 dienenden Spiegel gilt im in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel jedenfalls, daß dieser aus einer Metallfolie oder einer metallbeschichteten Kunststoffolie be steht, die hier paßgenau in das Gehäuse 1 eingesetzt ist. Befestigt werden kön nen solche Elemente mit modernen Klebstoffen ohne weiteres, aber auch durch andere Befestigungsmittel.The reflector mirror, which forms the further collector element 14 , can be formed in the base 15, for example made of ceramic, glass or a plastic, by metal vapor deposition. For the serving as a collector element 13 mirror applies in the embodiment shown in FIG. 3 in any case that this is made of a metal foil or a metal-coated plastic film, which is inserted here with a precise fit in the housing 1 . Such elements can be fastened with modern adhesives without further ado, but also with other fasteners.
Hinsichtlich der Materialauswahl gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten. Schon im Stand der Technik ist es vorgesehen, daß das Eintrittsfenster 3 aus Kunst stoff, insbesondere aus Polymethacrylat besteht. Das gilt auch für das Ein trittsfenster 3 bzw. die das Kollektorelement 13 bildende Sammellinse. Um den Wellenlängenbereich für den thermoelektrischen Strahlungssensor einzuschränken kann es sich empfehlen, daß am insbesondere als Sammellinse ausgeführten Ein trittsfenster 3 ein Filter für Strahlung bestimmter Wellenlängenbereiche vor gesehen ist. Besonders zweckmäßig kann es dabei sein, daß das Filter aus meh reren Filter- bzw. Interferenzschichten, vorzugsweise auf Silizium- oder Ger maniumbasis besteht. Hier besteht eine weite Auswahlbreite von Mischungen und Legierungen, die die notwendige Durchlässigkeit im interessierenden Wellen längenbereich aufweisen, aber dann über Interferenzeffekte oder innere Ab sorption die gewünschten Filtereigenschaften haben.There are a multitude of options with regard to the choice of materials. Even in the prior art it is provided that the entrance window 3 is made of plastic, in particular of polymethacrylate. This also applies to the entrance window 3 or the collector lens 13 forming the collecting lens. In order to restrict the wavelength range for the thermoelectric radiation sensor, it can be recommended that a filter for radiation of certain wavelength ranges is seen in front of the entrance window 3, which is designed in particular as a converging lens. It may be particularly expedient here that the filter consists of a plurality of filter or interference layers, preferably based on silicon or Gerium. Here there is a wide selection of mixtures and alloys that have the necessary permeability in the wavelength range of interest, but then have the desired filter properties via interference effects or internal absorption.
Fig. 1 und Fig. 3 machen deutlich, daß die Abdeckschicht 9 im dargestellten Ausführungsbeispiel im wesentlichen den Strahlungsaufnehmer 8 flächenmäßig definiert. Die Abdeckschicht 9 kann, wie auch im Stand der Technik, als Strah lungs-Absorptionsschicht ausgeführt sein. Fig. 1 and Fig. 3 make it clear that the cover layer 9 in the illustrated embodiment essentially defines the radiation sensor 8 in terms of area. The cover layer 9 can, as in the prior art, be designed as a radiation absorption layer.
Das in Fig. 4 dargestellte, bevorzugte Ausführungsbeispiel, dem auch für sich besondere Bedeutung zukommt, zeichnet nun dadurch aus, daß eine echte Absorp tionsschicht nicht realisiert ist. Es gilt nämlich, daß die Abdeckschicht 9 als Fotolackschicht oder ähnliche Schicht, vorzugsweise mit nicht besonders ausgeprägter Absorptionswirkung ausgeführt ist und daß die Dicken der Schich ten der im Strahlungsaufnehmer 8 realisierten Schichtfolge zur Bildung eines Interferenzsystems auf die Wellenlängen im interessierenden Wellenlängenbe reich der Strahlung abgestimmt sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel fin det man zunächst als unterste Schicht die Trägermembran 7. Diese besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus Silizium-Oxid-Nitrid und hat eine Dicke von ca. 1,5 µm. Auf der Unterseite könnte eine weitere Fotolackschicht aufge bracht sein, das ist aber hier nicht dargestellt. Auf der Trägermembran 7 be findet sich links und rechts jeweils ein erster Thermoschenkel 17 eines Ther moelements 11, der im dargestellten Ausführungsbeispiel aus NiCr besteht und eine Dicke von hier ca. 0,4 µm aufweist. Als Isolationsschicht befindet sich darüber eine etwa gleich dicke Fotolackschicht 18, dann folgt der zweite Thermoschenkel 19, der an der Meßstelle 10 mit dem ersten Thermoschenkel 17 kontaktiert. Dieser zweite Thermoschenkel 19 besteht aus einer Wismut-Le gierung und hat ebenfalls eine Dicke von ca. 0,4 µm. Darüber befindet sich als Abdeckschicht 9 wieder eine entsprechend dicke Fotolackschicht. Im Zen trum des Strahlungsaufnehmers 8 befindet sich eine weitere Schicht 20 mit einer Wismut-Legierung.The preferred embodiment shown in Fig. 4, which is also of particular importance in itself, is now characterized in that a real absorption layer is not realized. It is namely the case that the cover layer 9 is designed as a photoresist layer or similar layer, preferably with a not particularly pronounced absorption effect, and that the thicknesses of the layers of the layer sequence realized in the radiation detector 8 are coordinated with the radiation in the wavelength range of interest to form an interference system . In the exemplary embodiment shown, the carrier membrane 7 is found as the bottom layer. In the exemplary embodiment shown, this consists of silicon oxide nitride and has a thickness of approximately 1.5 μm. Another layer of photoresist could be applied on the underside, but this is not shown here. On the carrier membrane 7 there is a first thermocouple 17 of a thermocouple 11 on the left and right, which consists of NiCr in the exemplary embodiment shown and has a thickness of approximately 0.4 μm here. As an insulation layer there is an approximately equally thick photoresist layer 18 , followed by the second thermal leg 19 , which contacts the first thermal leg 17 at the measuring point 10 . This second thermo leg 19 consists of a bismuth alloy and also has a thickness of approximately 0.4 μm. A correspondingly thick photoresist layer is again located above this as the covering layer 9 . In the center of the radiation sensor 8 there is another layer 20 with a bismuth alloy.
Die Schichtdicken der Schichtfolge sind so abgestimmt, daß sich eine nahe zu vollständige Absorption der Strahlung im interessierenden Wellenlän genbereich ergebende Interferenz in der Schichtfolge ergibt. Die Schicht dicken sind auf die Wellenlängen am langwelligen Ende des interessierenden Wellenlängenbereichs abgestimmt. Die angegebenen Schichtdicken des hier erläu terten speziellen Ausführungsbeispiels beziehen sich auf einen Bereich im na hen bis mittleren Infrarot.The layer thicknesses of the layer sequence are coordinated so that one is close complete absorption of the radiation in the wavelength of interest resulting interference in the layer sequence. The layer are thick on the wavelengths at the long-wave end of the interest Wavelength range tuned. The specified layer thicknesses of the here ter specific embodiment relate to an area in the na to mid-infrared.
Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel zeichnet sich weiter dadurch aus, daß die Schichtfolge des Strahlungsaufnehmers 8 auch auf der Unterseite ein Interferenzsystem für den interessierenden Wellenlängenbereich der Strah lung bildet und daß außerhalb des Strahlungsaufnehmers 8 weder eine Absorp tionsschicht noch eine ein zur Absorption führendes Interferenzsystem bil dende Schichtfolge vorgesehen ist.The embodiment shown in Fig. 4 is further characterized in that the layer sequence of the radiation sensor 8 also on the underside forms an interference system for the wavelength range of radiation of interest and that outside of the radiation sensor 8 neither an absorption layer nor an interference system leading to absorption forming layer sequence is provided.
Durch die eingezeichneten Pfeile ist das Reflexions- und Interferenz-Verhalten der Schichtfolgen dargestellt, wobei das Interferenzsystem für Strahlung von oben durch die Abdeckschicht 9 aus Fotolack und die Schicht aus Wismut - zwei ter Thermoschenkel 19, weitere Schicht 20 - gebildet ist, während das Inter ferenzsystem für Einstrahlung von der Unterseite von der Trägermembran 7 und der mittigen weiteren Schicht 20 gebildet ist. Diese mittige Schicht 20 kon zentriert die Strahlung und überträgt die Wärme an die unmittelbar benachbar ten Meßstellen 10 der Thermoelemente 11.The arrows indicate the reflection and interference behavior of the layer sequences, the interference system for radiation from above being formed by the cover layer 9 made of photoresist and the layer made of bismuth - two thermo-legs 19 , another layer 20 - while the inter reference system for radiation from the underside of the carrier membrane 7 and the central further layer 20 is formed. This central layer 20 concentrates the radiation and transfers the heat to the immediately adjacent measuring points 10 of the thermocouples 11th
Bei einem Einsatz von 80 Thermoelementen 11 in Reihenschaltung läßt sich mit einem erfindungsgemäßen Strahlungssensor eine Empfindlichkeit von 60 V je Watt Strahlungsleistung realisieren, was eine hervorragende Empfindlichkeit und eine einfache Auswertbarkeit erlaubt. Falls erforderlich, kann, wie zu vor schon erläutert, unterhalb der Trägermembran 7 noch eine weitere Schicht - Fotolack - als Interferenzschicht eingesetzt werden. Im übrigen sind die zuvor gemachten Angaben zu Materialien und Abmessungen als beispielhaft zu verstehen und nicht einschränkend heranzuziehen. Insbesondere können statt Wismut auch andere Materialien wie Antimon und Legierungen verwendet werden. Durch die Verwendung von elliptischen Spiegeln als Kollektorelement 13, wie in Fig. 3 dargestellt, lassen sich Öffnungswinkel bis zu 160° ohne weiteres erreichen.If 80 thermocouples 11 are connected in series, a radiation sensor according to the invention can achieve a sensitivity of 60 V per watt of radiation power, which allows excellent sensitivity and easy evaluation. If necessary, a further layer - photoresist - can be used as an interference layer, as already explained above, below the carrier membrane 7 . Otherwise, the information given above regarding materials and dimensions is to be understood as exemplary and should not be used as a limitation. In particular, other materials such as antimony and alloys can be used instead of bismuth. By using elliptical mirrors as the collector element 13 , as shown in FIG. 3, opening angles of up to 160 ° can easily be achieved.
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